蒸散过程模拟课件

1、蒸散发过程模拟1 西安理工大学水文水资源西安理工大学水文水资源 第四章第四章 蒸散发过程模拟蒸散发过程模拟 蒸散发过程模拟2 主要内容 水面蒸发水面蒸发 土壤蒸发土壤蒸发 冰雪蒸发冰雪蒸发 植物散发植物散发 蒸发的影响因素蒸发的影响因素 流域蒸散发流域蒸散发 潜在蒸散发量估算潜在蒸散发量估算 实际蒸散发量的估算实际蒸散发量的估算 蒸散发过程模拟3 一 水面蒸发 1 水面蒸发机理水面蒸发机理 两个过程：水分汽化与水分扩散两个过程：水分汽化与水分扩散 水分汽化水分汽化：水分子逸出水面，在水面附近产生一层饱：水分子逸出水面，在水面附近产生一层饱 和水汽层；双向运动和水汽层；双向运动 水汽扩散水汽扩散

2、：饱和水汽层中的水分子进入大气层：饱和水汽层中的水分子进入大气层 3种形式种形式： （1）分子扩散：水分子从水汽压高处向低处输送）分子扩散：水分子从水汽压高处向低处输送 （2）对流扩散：下层暖湿空气上升，上层冷干空气下沉）对流扩散：下层暖湿空气上升，上层冷干空气下沉 （3）紊动扩散：由于刮风，水分子随风吹离）紊动扩散：由于刮风，水分子随风吹离 蒸散发过程模拟4 2 水面蒸发量的确定方法水面蒸发量的确定方法 5种方法：经验公式法种方法：经验公式法 水量平衡方法水量平衡方法 空气动力学方法空气动力学方法 波文比波文比-能力平衡法能力平衡法 综合方法综合方法 蒸散发过程模拟5 方法一：经验公式法 (

3、 )() sd Ef u ee 基本形式：基本形式： E：单位时间的蒸发量；：单位时间的蒸发量； ：水平风速：水平风速 的函数；的函数； es：蒸发表面温度：蒸发表面温度Ts的水汽压；的水汽压；ed：空气露点温度：空气露点温度Td的的 水汽压水汽压 )(ufu 蒸散发过程模拟6 方法二：水量平衡法 水量平衡方程：水量平衡方程： 水量平衡法对长时段（至少水量平衡法对长时段（至少1个月，最好个月，最好1年）可获得年）可获得 合理的蒸发估计，但对短时段（合理的蒸发估计，但对短时段（1天或更短）则完全不天或更短）则完全不 能用。水量平衡法确定的蒸发是各项的差值，如果蒸能用。水量平衡法确定的蒸发是各项的

4、差值，如果蒸 发相对其他项较小，则其受制于测量误差发相对其他项较小，则其受制于测量误差 -EI OS i0 PE AQQ =dS/dt 蒸散发过程模拟7 方法三：空气动力学法 K：涡动交换系数；：涡动交换系数；u：水平风速；：水平风速；z：高度；：高度； x：水平距离：水平距离 ；V：由下向上传输的物质量或物理量：由下向上传输的物质量或物理量 根据空气近地层中风速及涡动交换系数随高度变化的根据空气近地层中风速及涡动交换系数随高度变化的 特征，并采取适当的边界条件，求解下列微分方程特征，并采取适当的边界条件，求解下列微分方程 VV uK xzz 蒸散发过程模拟8 方法三：空气动力学法 2 202

5、 ln/ w s m Ku Efzkee K p 根据扩散理论，利用空气动力学中的关系式，可得基根据扩散理论，利用空气动力学中的关系式，可得基 于扩散理论的水面蒸发计算公式于扩散理论的水面蒸发计算公式 Kw：大气紊动扩散系数大气紊动扩散系数； Km：紊动粘滞系数紊动粘滞系数； ：水面以上：水面以上 z2高度处的水平风速；高度处的水平风速；P：气压；：气压；f：函数：函数 关系；关系；ks：表面糙度的线量度；：表面糙度的线量度；e0：饱和水汽压；：饱和水汽压；e2：z2 高度处的水汽压高度处的水汽压 2u 蒸散发过程模拟9 方法三：空气动力学法 1939年，桑斯威特年，桑斯威特(Thornthw

6、atie)和霍尔兹曼和霍尔兹曼 (Holzman)利用近地面边界层相似理论，提出计算蒸利用近地面边界层相似理论，提出计算蒸 发的空气动力学方法发的空气动力学方法 假定：下垫面均匀，动量、热量和水汽传输系数相等假定：下垫面均匀，动量、热量和水汽传输系数相等 这一假定是蒸发理论的又一突破这一假定是蒸发理论的又一突破 但是，假定也将此方法的应用局限在较小的范围内，但是，假定也将此方法的应用局限在较小的范围内， 因为实际中大部分下垫面都是非均一的，粗糙的下因为实际中大部分下垫面都是非均一的，粗糙的下 垫面必定对湍流场产生复杂影响，所以计算中往往垫面必定对湍流场产生复杂影响，所以计算中往往 存在较大误差

7、存在较大误差 蒸散发过程模拟10 方法四：波文比-能量平衡法 1926年，波文年，波文(Bowen) 提出提出 以能量守恒为基础，即考虑水体得到、损耗和储存的以能量守恒为基础，即考虑水体得到、损耗和储存的 能量。对任一水体，能量平衡方程可写为：能量。对任一水体，能量平衡方程可写为： wsrlheva RRRRRRRR Rw：水体储能的增量；：水体储能的增量；Rs：到达水面的总太阳辐射；：到达水面的总太阳辐射； Rr：反射的太阳辐射；：反射的太阳辐射；Rl：大气和水体之间的净长波：大气和水体之间的净长波 辐射交换；辐射交换；Rh：从水体到大气的干热交换；：从水体到大气的干热交换；Re：用：用 于

8、蒸发的能量；于蒸发的能量；Rv：蒸发水体带走的能量平流；：蒸发水体带走的能量平流；Ra： 进入水体的净能量平流进入水体的净能量平流 蒸散发过程模拟11 方法四：波文比-能量平衡法 波文比的计算：波文比的计算： 蒸发量计算公式：蒸发量计算公式： e R E L Bowen（1926）将水汽从水面进入空气的蒸发和扩散过）将水汽从水面进入空气的蒸发和扩散过 程类比于单位热能从水表面进入空气的传导过程，引入程类比于单位热能从水表面进入空气的传导过程，引入 了波文比（了波文比（Bowen Ratio）的概念）的概念 h e R B R T B e :干湿表常数；干湿表常数； T：温差；：温差； e：气压

9、差：气压差 蒸散发过程模拟12 方法四：波文比-能量平衡法 蒸发量计算公式：蒸发量计算公式： 1 esrlaw RRRRRR E LLB 波文比波文比-能量平衡法适用于空气温度和湿度垂直轮能量平衡法适用于空气温度和湿度垂直轮 廓一致的情况，在常规观测中精度较好，长期以来得廓一致的情况，在常规观测中精度较好，长期以来得 到了广泛的应用。到了广泛的应用。 但在下垫面但在下垫面很潮湿或很干燥很潮湿或很干燥的条件下，计算结果的条件下，计算结果 往往偏低，精度下降往往偏低，精度下降 蒸散发过程模拟13 方法五：综合方法 能量平衡法能量平衡法考虑了影响水面蒸发的热量条件，而影响考虑了影响水面蒸发的热量条件

10、，而影响 水面蒸发的动力条件只考虑了水汽扩散的作用水面蒸发的动力条件只考虑了水汽扩散的作用 空气动力学法空气动力学法考虑了影响水面蒸发的主要动力条件考虑了影响水面蒸发的主要动力条件 风速和水汽扩散，但对太阳辐射未考虑风速和水汽扩散，但对太阳辐射未考虑 Penman（1948）综合考虑了能量平衡法和空气动力学）综合考虑了能量平衡法和空气动力学 方法的长处，取长补短，将二者较好的结合起来提出方法的长处，取长补短，将二者较好的结合起来提出 了确定水面蒸发的了确定水面蒸发的综合方法综合方法 00 00 () p naa C ERGk eeee 蒸散发过程模拟14 二 冰雪蒸发 冰雪蒸发是水面蒸发的一种

11、特殊情况，是一个经历着冰雪蒸发是水面蒸发的一种特殊情况，是一个经历着 固态固态-液态液态-气态的变化过程气态的变化过程 当冰雪上空的水汽压小于当时温度下的饱和水汽压当冰雪上空的水汽压小于当时温度下的饱和水汽压 时，冰雪蒸发就会发生时，冰雪蒸发就会发生 多用经验公式估算冰雪蒸发多用经验公式估算冰雪蒸发 库兹明公式库兹明公式 : 1002 0.180.098Euee 10m10m高度处的平均风速高度处的平均风速 雪面温度的饱和水汽压雪面温度的饱和水汽压 2m2m高度处水汽压高度处水汽压 蒸散发过程模拟15 二 冰雪蒸发 美国中央西拉雪实验室（美国中央西拉雪实验室（Central Sirra Lab

12、oratory） 公式公式 1/6 0 0.0063 abab Ez zeeu 雪面温度下的水汽压雪面温度下的水汽压 Z Zb b高度处的平均风速高度处的平均风速 Z Za a高度处的水汽压高度处的水汽压 蒸散发过程模拟16 三 植物散发 植物散发规律：植物散发规律： 根系吸收水分类似达西定律描述根系吸收水分类似达西定律描述 qMN 单位时间内吸收的水分单位时间内吸收的水分 土壤导水系数土壤导水系数植物导水系数植物导水系数 叶片吸力叶片吸力 使水分保持在土壤中的吸力使水分保持在土壤中的吸力 由由Dolton定律可知：叶面和大气间的水量交换即散发定律可知：叶面和大气间的水量交换即散发 量，应与饱

13、和差成正比，即量，应与饱和差成正比，即 0 0 0 P DD Eee DD 植物叶面与大气间的水份交换系数植物叶面与大气间的水份交换系数 植物细胞薄膜面与叶面之间的水份交植物细胞薄膜面与叶面之间的水份交 换系数换系数 0 0 P D EE DD 植物散发能力植物散发能力 蒸散发过程模拟17 三 植物散发 简化形式：简化形式： 根据水量平衡原理，有：根据水量平衡原理，有： P dW qE dt 0 dW dt P qE 0 0 D EMN DD 0P EE 土壤含水量的函数 反应植物生理特性对 散发影响的系数 蒸散发过程模拟18 四 潜在蒸散量的估算 定义定义 平坦地面被矮秆绿色作物全部遮蔽，土

14、壤充分湿润情平坦地面被矮秆绿色作物全部遮蔽，土壤充分湿润情 况下的蒸散量，也称可能蒸散量或最大可能蒸散量况下的蒸散量，也称可能蒸散量或最大可能蒸散量 方法方法 气候学方法：基于气温、基于太阳辐射、气候学方法：基于气温、基于太阳辐射、Peman法、法、 Peman-monteith四类四类 微气象学方法：质量守恒、空气动力学、波文比微气象学方法：质量守恒、空气动力学、波文比-能量能量 平衡法平衡法同水面蒸发计算方法同水面蒸发计算方法 蒸发皿方法蒸发皿方法 蒸散发过程模拟19 基于气温估算方法基于气温估算方法 适用适用 气象气候资料缺乏，用气温来估算潜在蒸散发气象气候资料缺乏，用气温来估算潜在蒸散

15、发 时间尺度：周、月时间尺度：周、月 a ETcT 1123 ETc dT cc h 基本形式基本形式 其余为经验参数其余为经验参数 气温气温 湿度湿度 蒸散发过程模拟20 基于太阳辐射估算方法 基于太阳辐射估算陆面潜在蒸散量的经验公式通常是基于太阳辐射估算陆面潜在蒸散量的经验公式通常是 以能量平衡为基础，大多数基于太阳辐射的公式采用以能量平衡为基础，大多数基于太阳辐射的公式采用 如下形式：如下形式： rs ETCwR rn ETCwR 蒸发蒸发 潜热潜热 与相对湿度和与相对湿度和 风速有关的系数风速有关的系数 与温度和高程有与温度和高程有 关的权重系数关的权重系数 太阳总辐射太阳总辐射 太阳

16、净辐射太阳净辐射 蒸散发过程模拟21 Peman法法 1948年，年，Peman提出提出 物理基础：质量守恒和能量平衡方程物理基础：质量守恒和能量平衡方程综合法综合法 后来有学者修正了后来有学者修正了Penman方程，使其可以应用气象学方程，使其可以应用气象学 参数和气象站实测资料参数和气象站实测资料 oa EETHE 2 0.35 0.5/100 aad Euee 饱和水汽压与温度饱和水汽压与温度 散点图上的曲线斜率散点图上的曲线斜率 可利用能量可利用能量 湿度计常数湿度计常数 2m高处风速高处风速 水汽压差水汽压差 蒸散发过程模拟22 Penman-Monteith方法方法 1963，19

17、64，Monteith将阻抗引入将阻抗引入ET的估算，进一步的估算，进一步 发展了发展了Penman方法方法 1 psa n a s a Cee RG r ET r r 净辐射净辐射 土壤热通量土壤热通量 空气密度空气密度 空气定压空气定压 比热比热 水汽传输的空气水汽传输的空气 动力学阻抗动力学阻抗 水汽传输的地表水汽传输的地表 （冠层）阻（冠层）阻 水体蒸发潜热水体蒸发潜热 蒸散发过程模拟23 蒸发皿方法蒸发皿方法 蒸发皿便宜、易于维护与操作，其应用型非常广泛蒸发皿便宜、易于维护与操作，其应用型非常广泛 在湿润地区，蒸发皿可以较精确的估算潜在蒸散在湿润地区，蒸发皿可以较精确的估算潜在蒸散

18、ETp ETCE 系数，取值范围为系数，取值范围为0.5-1.0 ，与蒸，与蒸 发皿型号、观测地点和季节有关发皿型号、观测地点和季节有关 观测值观测值 蒸散发过程模拟24 五五 实际蒸散发量的估算实际蒸散发量的估算 1 概念性水文模型中的蒸散发模拟概念性水文模型中的蒸散发模拟 采用采用Penman-Menteith方法方法 缺点：变量多，难确定缺点：变量多，难确定 处理：将实际蒸散发看作潜在蒸散与土壤干燥度的函数处理：将实际蒸散发看作潜在蒸散与土壤干燥度的函数 即即 缺点：极端条件时误差大缺点：极端条件时误差大 /AETET f SMT SMC 蒸散发过程模拟25 五五 实际蒸散发量的估算实际

19、蒸散发量的估算 2 互补相关模型互补相关模型 互补相关理论：局地蒸散发潜力与实际蒸散发之间不是互补相关理论：局地蒸散发潜力与实际蒸散发之间不是 成正比，而是成负指数关系。成正比，而是成负指数关系。 假设：区域上得到的太阳辐射量保持不变，无平流影响，假设：区域上得到的太阳辐射量保持不变，无平流影响， 下垫面均匀等下垫面均匀等 Bouchet提出：提出： 计算计算ETa的常用模型有三个的常用模型有三个 2 paw ETETET 水分不足水分不足水分充足水分充足 2 w ET w ET a ET p ET 蒸散发过程模拟26 五五 实际蒸散发量的估算实际蒸散发量的估算 CARE模型模型（Coplem

20、entary Relationship Areal Evapotranspiration） 引入平衡温度概念，即在此温度下，对于一个湿润的陆引入平衡温度概念，即在此温度下，对于一个湿润的陆 面，由能量平衡与水汽传输推算的蒸散发量相等面，由能量平衡与水汽传输推算的蒸散发量相等 2 nn accsa RMRF ETttee LLL 0.660.44 n MBR 1 0.50.5/ 10.26 / h h R R 3 4273 a T F 蒸散发过程模拟27 五五 实际蒸散发量的估算实际蒸散发量的估算 平流平流-干旱模型（干旱模型（Advection-Aridity Model，AA） 根据根据Pe

21、nman公式与公式与Priestley-Taylor公式计算的蒸散发相公式计算的蒸散发相 等推出：等推出： 考虑平流能量与土壤热通量，推出精确公式：考虑平流能量与土壤热通量，推出精确公式： 21 ansa ETRGMf uee 1.52 ansa ETRGMf uee 蒸散发过程模拟28 五五 实际蒸散发量的估算实际蒸散发量的估算 Granger模型模型 重新定义了可能蒸散和湿润环境蒸散，选择表面饱和、重新定义了可能蒸散和湿润环境蒸散，选择表面饱和、 大气参量和表面温度不变时的蒸散量为潜在蒸散量，大气参量和表面温度不变时的蒸散量为潜在蒸散量， 运用运用Dolton蒸发定律，建立了一个依据能量平

22、衡和空蒸发定律，建立了一个依据能量平衡和空 气动力学原理的方程，并引入相对蒸散，以区别饱和气动力学原理的方程，并引入相对蒸散，以区别饱和 表面，认为相对蒸散与相对干燥力之间存在唯一关系，表面，认为相对蒸散与相对干燥力之间存在唯一关系， 最终推导出估算陆面实际蒸散的关系最终推导出估算陆面实际蒸散的关系 蒸散发过程模拟29 五五 实际蒸散发量的估算实际蒸散发量的估算 /1 ana ETR RGR ER 12 1 1.0exp() R bb D / ana DERGE 1 00 lnln psa a shsm hm k C uee E zdzd zz 2 0.26 2.47021 asa Eeecu简化估算简化估算 蒸散发过程模拟30 五五 实际蒸散发量的估算实际蒸散发量的估算 3 区域遥感蒸散发模拟区域遥感蒸散发模拟 理论基础：地表热量平衡与水分平衡理论基础：地表热量